Телекоммуникационные сети. Явление фотоэффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

Факультет дополнительного профессионального образования

Кафедра Физики и техники связи

Отчет

по учебной практике на кафедре Физики и техники связи ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

Студента гр. ТКО-13

Яновицкой Ольги Андреевны

Руководитель практики от университета

Марина Юрьевна Малакеева

Чита 2015



Содержание

телекоммуникационный сеть радиоэлектронный фотоприемник

Введение

1. Схема телекоммуникационной сети. Состав и назначение телекоммуникационной сети. Структура СКС

2. Изучение структуры телефонной сети общего пользования

3. Способы организации видеоконференцсвязи. Оборудование для организации ВКС

4. Проектирование и разработка оптоэлектронных (радиоэлектронных) устройств

5. Модернизация лабораторного комплекса «Квазар»: изучение явления фотоэффекта

5.1 Изучение фотоприемников, их видов и применения

5.2 Модернизация лабораторного комплекса «Квазар»: изучение явления фотоэффекта

Заключение

Список использованных источников

Приложения



Введение

У студентов огромное количество различных форм обучения и познания. Это лекционные, семинарские и практические занятия, круглые столы и конференции. Но также важным элементом для каждой специальности является практика, которая дает возможность студенту понять, чем же он будет заниматься после выхода из стен своего учебного заведения.

Целью учебной практики ставится: применение и закрепление ранее изученных в процессе обучения знаний, получение базовых знаний.

Основные задачи учебной практики:

Рассмотреть схему телекоммуникационной сети. Изучить состав и назначение телекоммуникационной сети, дать предложения по ее модернизации.

Изучить структуру телефонной сети общего пользования.

Разработать организацию видеоконференцсвязи ВКС между абонентами корпуса 08. Ознакомится с оборудованием необходимым для организации ВКС.

Ознакомиться с проектированием и разработкой оптоэлектронных устройств (радиоустройств).

Модернизация лабораторного комплекса Квазар: исследование явления фотоэффекта.

Сведения о предприятии.

Кафедра физики и техники связи создана приказом ректора Читинского Государственного Университета от 10.03.2004 года в соответствии с решением Ученого Совета Университета от 27.02.2004 года из секции Физики и техники оптической связи. Кафедра осуществляет подготовку кадров по направлению «Телекоммуникации». Данное направление утверждено приказом Министерства образования РФ № 686 от 02.03.2000 г.

Телекоммуникации -- новая, динамично развивающая область науки и техники, которая включает совокупность технологий, средств и методов человеческой деятельности, направленных на создание условий для обмена информацией на расстоянии.

Объектами профессиональной деятельности выпускников по направлению «Телекоммуникации» в соответствии с Федеральным законом о связи являются технологические системы, технические средства, обеспечивающие различную передачу, излучение и прием знаков, сигналов письменного текста, изображений, звуков, по проводной, радио, оптической или следующим другим системам:

сети связи и системы коммутации;

многоканальные телекоммуникационные системы, включая системы оптического диапазона;

системы и устройства радиосвязи, включая системы спутниковой и мобильной связи;

системы и устройства звукового и телевизионного вещания, электроакустики и речевой информатики, мультимедийной техники;

системы и устройства передачи данных;

средства защиты информации в телекоммуникационных системах;

управление эксплуатационным и сервисным обслуживанием телекоммуникационных устройств.

Основными направлениями деятельности кафедры стали следующие:

подготовка специалистов по направлению «Телекоммуникации»;

развитие научно-производственной деятельности кафедры.

Осуществляется программа научно-исследовательской работы по направлениям:

Пассивные оптические компоненты волоконно-оптических линий связи;

Электролюминесценция щелочно-галоидных кристаллов;

Научными руководителями данных НИР являются: канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой И.В. Свешников, канд. физ.-мат. наук, доцент А.П. Дружинин.



1. Схема телекоммуникационной сети. Состав и назначение телекоммуникационной сети. Структура СКС

Телекоммуникационные сети представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества. Сообщение - форма представления информации, удобная для передачи на расстояние. Сообщение отображается изменением какого-либо параметра информационного сигнала (электромагнитные сигналы в сетях).

При создании сетей телекоммуникаций невозможно соединить всех абонентов между собой отдельными (выделенными) линиями связи. Это нецелесообразно экономически и невыполнимо практически. Поэтому соединение многочисленных абонентов (А), находящихся на большом расстоянии, обычно производится через транзитные (телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи.

Рисунок 1. Телекоммуникационная сеть

Таким образом, телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов (А) и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи. Узлы ТУ производят коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Процесс формирования маршрута получил название коммутация. Коммутацией также называют передачу (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной.

Средства телекоммуникаций реализуют передачу данных и образуют телекоммуникационную сеть (сеть связи, сеть передачи данных), состоящую из узлов связи (УС), объединенных каналами связи (КС) для передачи данных.

Канал связи (КС) включает в себя линию связи (ЛС) и каналообразующее оборудование.

Линия связи (ЛС) представляет собой физическую среду передачи, по которой передаются сигналы, вместе с аппаратурой передачи данных (АПД), формирующей сигналы, соответствующие типу ЛС.

Аппаратура передачи данных (АПД) осуществляет преобразование сигналов в соответствии с типом среды передачи (линии связи). К АПД относятся различного типа модемы (модуляторы-демодуляторы), используемые в телефонных и высокочастотных КС: телефонные, кабельные, радиомодемы, xDSL-модемы, адаптеры и т.д.

Каналообразующее оборудование (КО) предназначено для формирования канала передачи данных между двумя взаимодействующими абонентами, при этом в одной и той же линии связи одновременно может быть сформировано несколько каналов за счет использования различных методов уплотнения.

Технология уплотнения и формирования многоканальных систем передачи данных в компьютерных сетях называется мультиплексированием и реализуется мультиплексорами и демультиплексорами. Обычно каналообразующее оборудование входит в состав узлов телекоммуникационной сети.

Основными функциями узлов связи являются:

* маршрутизация, заключающаяся в выборе направления передачи (маршрута) данных;

* коммутация, заключающаяся в установлении физического или логического соединения между входными и выходными портами узла;

* мультиплексирование, заключающееся в объединении нескольких входящих в узел потоков данных в один выходящий из узла поток;

* демультиплексирование, заключающееся в разделении одного входящего в узел потока данных на несколько выходящих из узла потоков.

В качестве узлов связи в вычислительных сетях используются специализированные сетевые устройства: концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

В качестве оконечного оборудования данных могут выступать компьютеры и сетевое оборудование (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы), находящееся в узлах сети.

Структуры СКС

Топология СКС

В основу любой структурированной кабельной системы положена древовидная топология, которую иногда называют также структурой иерархической звезды. Узлами структуры являются кроссовые, которые соединяются друг с другом и с рабочими местами электрическими и оптическими кабелями. Все кабели, входящие в кроссовые, обязательно заводятся на коммутационное оборудование, на котором осуществляются переключения в процессе текущей эксплуатации кабельной системы. Это обеспечивает гибкость СКС, возможность легкой переконфигурации и адаптируемости под конкретное приложение.

Технические помещения

Для построения СКС и ИКС предприятия в целом необходимы технические помещения двух видов: аппаратные и кроссовые.

Аппаратной называется техническое помещение, в котором располагается сетевое оборудование коллективного пользования (АТС, серверы, концентраторы). В том случае, если основной объем установленных в этом помещении технических средств составляет оборудование ЛВС, его иногда называют серверной, а если учрежденческая АТС и системы внешних телекоммуникаций -- то узлом связи. Аппаратные оборудуются фальшполами, системами пожаротушения, кондиционирования и контроля доступа.

Кроссовая представляет собой помещение, в котором размещается коммутационное оборудование СКС, сетевое и другое вспомогательное оборудование. Желательно ее размещение вблизи вертикального стояка, оборудование телефоном и системой контроля доступа.

Во всей СКС может быть только одна КВМ, а в каждом здании может присутствовать не более одной КЗ. Допускается объединение КВМ с КЗ, если они расположены в одном здании. Аналогично, КЗ может быть совмещена с КЭ, если они расположены на одном этаже. Если плотность рабочих мест на этаже или его части мала, то в качестве исключения допускается подключение к КЭ горизонтальных кабелей смежных этажей..

Подсистемы СКС

В самом общем случае СКС включает в себя три подсистемы:

Подсистема внешних магистралей, или, по терминологии некоторых СКС европейских производителей, первичная подсистема, состоит из внешних магистральных кабелей между КВМ и КЗ, коммутационного оборудования в КВМ и КЗ, к которому подключаются внешние магистральные кабели, и коммутационных шнуров и/или перемычек в КВМ. Подсистема внешних магистралей является основой для построения сети связи между компактно расположенными на одной территории зданиями (campus). Если СКС устанавливается автономно только в одном здании, то подсистема внешних магистралей отсутствует.

Подсистема внутренних магистралей, называемая в некоторых СКС вертикальной, или вторичной, подсистемой, содержит проложенные между КЗ и КЭ внутренние магистральные кабели, подключенное к ним коммутационное оборудование в КЗ и КЭ, а также коммутационные шнуры и/или перемычки в КЗ. Кабели рассматриваемой подсистемы фактически связывают между собой отдельные этажи здания и/или пространственно разнесенные помещения в пределах одного здания. Если СКС обслуживает один этаж, то подсистема внутренних магистралей может отсутствовать.

Горизонтальная, или третичная, подсистема образована внутренними горизонтальными кабелями между КЭ и информационными розетками рабочих мест, самими информационными розетками, коммутационным оборудованием в КЭ, к которому подключаются горизонтальные кабели, и коммутационными шнурами и/или перемычками в КЭ. В составе горизонтальной проводки допускается использование одной точки перехода, в которой происходит изменение типа прокладываемого кабеля (например, переход на плоский кабель для прокладки под ковровым покрытием с эквивалентными передаточными характеристиками).

В подавляющем большинстве случаев подключение к СКС сетевого оборудования производится с помощью коммутационного шнура. В некоторых ситуациях кроме шнура может понадобиться адаптер, обеспечивающий согласование сигнальных и механических параметров оптических или электрических интерфейсов (разъемов) СКС и сетевого оборудования. Подсистема рабочего места обеспечивает подключение сетевого оборудования на рабочих местах. Применяемое для ее реализации оборудование целиком и полностью зависит от конкретного приложения. Она не является частью СКС и выходит за рамки действия стандартов ISO/IEC 11801 и TIA/EIA-568-A, хотя стандарты накладывают на ее параметры определенные ограничения, обсуждаемые ниже.

Коммутация в СКС

Принципиальной особенностью любой СКС является то, что коммутация, в отличие от электронных АТС и сетевого компьютерного оборудования, всегда производится вручную с помощью коммутационных шнуров и/или перемычек, то есть функционирование СКС принципиально не зависит от состояния электропитающей сети. Введение в состав СКС элементов электронной или электромеханической коммутации немедленно влечет за собой обязательное использование в оборудовании штатного источника электропитания. Такое решение абсолютно неоправданно на нынешнем этапе развития техники с экономической и технической точек зрения. Это обусловлено тем, что среднее количество переключений одного порта в действующей системе составляет единицы раз в год, а источник питания обладает существенно меньшей эксплуатационной надежностью по сравнению с остальными пассивными компонентами. Оборотной стороной отказа от применения штатного источника электропитания является:

необходимость использования коммутационных шнуров, которые существенно ухудшают массогабаритные показатели коммутационного оборудования и требуют применения специальных мер для решения задач администрирования;

невозможность введения в состав СКС штатных контроллеров, датчиков и другого аналогичного оборудования, что снижает удобство эксплуатации, увеличивает время поиска неисправности, затрудняет текущую диагностику и т.д.

Известны лишь отдельные разработки, направленные на внедрение активных компонентов в некоторые подсистемы СКС, которые доведены до серийного производства. Однако они носят вспомогательный характер (опрос состояния портов, индикация, коммутация сигналов низкоскоростных приложений), не затрагивают процесс передачи информационных сигналов и не нормируются действующими и перспективными стандартами.

Кабели СКС

Одним из способов повышения технико-экономической эффективности кабельных систем является минимизация типов применяемых кабелей. Для построения СКС допускается применение следующих кабелей на основе:

симметричных электрических кабелей на основе витой пары с волновым сопротивлением 100, 120 и 150 Ом в экранированном и неэкранированном исполнении;

одномодовых и многомодовых оптических кабелей.

Электрические кабели используются в основном, для создания горизонтальной разводки. По ним передаются как телефонные сигналы и низкоскоростные данные, так и данные высокоскоростных приложений. Применение оптических решений в горизонтальной подсистеме в настоящее время встречается достаточно редко.

Для перехода с электрического кабеля на оптический в процессе передачи данных со скоростью 10 Мбит/с и выше в технических помещениях устанавливается соответствующее сетевое оборудование (преобразователи среды, или трансиверы). Обычно процесс преобразования низкоскоростного электрического сигнала в оптический совмещается с мультиплексированием.

Экранированный симметричный кабель потенциально обладает лучшими электрическими характеристиками по сравнению с неэкранированным. Однако этот кабель является очень критичным к качеству выполнения монтажа и заземления, имеет заметно большую стоимость и худшие массогабаритные показатели. Поэтому пока основным кабелем для передачи электрических сигналов по СКС являются кабели на основе неэкранированных витых пар. Многомодовые волоконно-оптические кабели используются, как правило, в качестве основы подсистемы внутренних магистралей. Одномодовые волоконно-оптические кабели рекомендуется применять только для построения длинных внешних магистралей.

Модернизация телекоммуникационной сети корпуса 08 может включать в себя повышение пропускной способности физических каналов связи с целью максимального использования имеющейся инфраструктуры оптических коммуникаций и обеспечения скорости до 10 Гбит/с по мультимодовому оптоволокну с заменой морально устаревших узловых коммутаторов и коммутационного оборудования ККС корпуса и подразделений на интеллектуальные коммутаторы 2-го или 3-го уровня с поддержкой протокола управления SNMP. Выполнение этих работ позволит существенно расширить пропускную способность ККС в целом и “последней мили” канала доступа к сети Интернет;



2. Изучение структуры телефонной сети общего пользования

Телефонная сеть общего пользования - ТфОП (англ. PSTN, Public Switched Telephone Network) -- это абонентская сеть связи, для доступа к которой используются телефонные аппараты, АТС и оборудование передачи данных.

Предоставление услуги доступа конечных пользователей к телефонной сети общего пользования находится в ведении операторов телефонной связи. В подавляющем большинстве случаев, каждый абонент ТФОП получает определённый уникальный (глобально или в рамках конкретного сегмента сети) идентификатор - телефонный номер. В современном мире доступ к телефонной сети общего доступа может предоставляться посредством следующих технологий:

Проводная (или фиксированная) телефонная связь

Сотовая связь

Спутниковая связь

IP-телефония

Различают следующие виды (ТфОП): городские, сельские, зоновые и междугородные.

Структура ТфОП учитывает административно-территориальное деление страны. В соответствии с этим ТфОП объединяет местные и внутризоновые телефонные сети, а также междугородную телефонную сеть.

К местным телефонным сетям относятся сети, создаваемые на территории городов и сельских районов. Соответственно местные сети делятся на городские и сельские телефонные сети (ГТС и СТО).

Все местные телефонные сети, территориально размещенные в определенной зоне, объединяются в зоновую сеть. Территория зон, как правило, совпадает с территорией областей, в некоторых случаях края или республики.

Коммутационным центром зоновой телефонной сети является автоматическая междугородная телефонная станция (АМТС), с которой непосредственно или через специальные узлы связаны все автоматические телефонные станции (АТС) городских телефонных сетей и центральные станции сельских телефонных сетей.

Междугородная телефонная сеть состоит из узлов автоматической коммутации (УАК) и АМТС, связанных между собой пучками телефонных каналов передачи.

Все телефонные сети -- местные, зоновые и междугородные -- строятся по радиально-узловому принципу. На рисунке 2 показана упрощенная схема построения ТфОП. Элементы междугородной телефонной сети на схеме выделены жирными линиями. Оконечными станциями междугородной телефонной сети являются АМТС. Узлы автоматической коммутации выполняют только транзитные соединения. Различаются узлы автоматической коммутации первого и второго классов УАК I и УАК II.

Междугородная телефонная сеть имеет двенадцать УАК.I, связанных пучками телефонных каналов по принципу «каждый с каждым». Каждый УАК I является центром коммутации, обслуживающим определенный территориальный район. Все АМТС, расположенные на этой территории, связываются с УАК I непосредственно или через узлы автоматической коммутации второго класса (УАК II). Следовательно, каждый УАКI имеет связь со всеми другими УАКI сети, а кроме того, с УАКII и некоторыми АМТС, расположенными на своей транзитной территории.

Каждая АМТС обслуживает одну зоновую телефонную сеть. На рисунке штрихпунктирными линиями условно показаны территории обслуживаемых зон. Телефонная сеть выделенной зоны состоит их трех местных сетей: двух СТС и одной ГТС, связанных с АМТС.



Рисунок 2. Схема построения ТфОП

Основной целью модернизации телефонной сети является пакетизация сети. Термин “softswitch может использоваться для описания довольно таки широкого спектра коммуникационных решений для сетей нового поколения (NGN). Перевод этого термина на русский язык (“программный коммутатор”) однако, словосочетание softswitch используется в названии коммерческих продуктов ряда фирм, поэтому его применение в качестве общего термина не слишком-то радует их конкурентов. Термин “softswitch” в широком его смысле используют для описания коммуникационных систем нового поколения, основанных на открытых стандартах и позволяющих строить мультисервисные сети с выделенным сервисным “интеллектом”. Такие сети обеспечивают эффективную передачу речи, видео и данных и обладают большим потенциалом для развертывания дополнительных услуг, чем традиционные ТфОП. Конвергенция от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов/кадров/ячеек, работа которых контролируется системами класса soft-switch, -- это фактически продолжение затянувшегося перехода к открытым инфокоммуникационным средам, в свое время инициированного появлением концепции интеллектуальных сетей.

Если сравнивать систему Softswith с традиционными АТС то преимущества очевидны архитектура модульная что позволяет легко интегрироваться для приложений сторонних производителей перенастраиваться для удовлетворения потребностям клиентов трафик может быть самый разнообразный (речь, данные, видео, факс) продолжительность одного соединения неограниченна.



3. Способы организации видеоконференцсвязи. Оборудование для организации ВКС

Видеоконференция - это в первую очередь технология, позволяющая собеседникам слышать, а главное, видеть друг друга. Видеоконференция приближает общение разделенных многими сотнями километров собеседников к реальному. Везде, где нужно общение, разговор между двумя и более собеседниками, использование видеоконференцсвязи чрезвычайно эффективно.

Для чего используются видеоконференции:

Видеоконференции в бизнесе используются в первую очередь для управления. Государственные компании и органы власти широко используют видеоконференции для селекторных совещаний различных уровней, для объединения в один телемост различных городов, стран и континентов, что является показателем эффективности проведения видеоконференций не только в этом секторе экономики.

Видеоконференции в промышленности. Удаленность промышленных объектов от центрального офиса, зависимость от слаженной работы поставщиков, трудности управления региональными представительствами. Проблемы усугубляются тем, что при сбое поставок лишь даже от одного партнера, все производство может остановиться, что приведет к большим финансовым потерям.

Видеоконференции в обучении. Эффективность работы преподавателей можно значительно повысить, если использовать видеоконференцсвязь для обучения. Нет необходимости длительных перелетов для обучения слушателей в удаленных районах. Можно пригласить провести обучение высококвалифицированных преподавателей, у которых день расписан по часам. Выделить час-полтора времени для проведения web-семинара значительно проще, чем выделить целый день, для того чтобы слетать туда и обратно. Не говоря уже о затратах на перелет и стоимости аренды помещений. Видеоконференции позволяют собрать группу из слушателей находящихся в разных городах, не требуя очного присутствия, что дает возможность проводить обучение значительно чаще.

Видеоконференции в медицине. Получить консультацию профессионального специалиста, без необходимости транспортировать больного в другой город, не только экономит время, но может спасти жизнь больного в экстренных случаях. Видеоконференции и телемедицина - это практически единственная возможность для жителей отдаленных районов получить квалифицированную медицинскую консультацию для правильной постановки диагноза и как следствие, для эффективного лечения.

Для проведения сеансов видеоконференцсвязи необходимо соответствующее оборудование, средства соединения через каналы связи, которые соответствуют определенным требованиям и специализированное программное обеспечение.

Существуют два основных способа реализации видеоконференцсвязи - аппаратный и программный. В отличие от аппаратных, в программных системах видеоконференций применяется специальное программное обеспечение, устанавливаемое на обычные серверы и персональные компьютеры (ПК), которые выступают в роли терминальных устройств видеосвязи. В простейших случаях ПК могут выполнять и роль видеосервера.

В аппаратных системах ВКС алгоритмы обработки и передачи видеосигнала реализуются на аппаратном уровне с помощью специализированного оборудования. Они появились задолго до программных решений, когда еще не было интернета. Совершать видеозвонки можно было при помощи аппарата, называемого видеофоном. Современные аппаратные системы видеоконференцсвязи - это целый комплекс решений, которые позволяют проводить различные сеансы видеосвязи.

В зависимости от поставленных задач и выполняемых функций, аппаратные системы видеоконференцсвязи разделяют на следующие группы:

- персональные системы - пользователи терминалов имеют возможность видео общения в режиме реального времени, находясь на рабочем месте. ВКС данного вида имеют встроенные кодеки, используют видеокамеру, экран, микрофон, акустическую систему. Наибольшей популярностью для организации персональных ВКС пользуются решения таких производителей, как Cisco, SONY, Polycom и др.

- групповые системы - служат для проведения сеансов видеоконференцсвязи в переговорных (совещательных) комнатах. При этом помещение любого размера возможно превратить в видеоконференц-студию для проведения интерактивных совещаний. Для организации современных групповых систем видеоконференцсвязи наиболее оптимальные решения представлены компаниями Sony, Radvision, LifeSize.

- многоточечные системы ВКС (Multipoint Control Unit) относятся также к интеллектуальным системам ВКС. Видеоконференцсвязь осуществляется одновременно с несколькими удаленными точками, находящимися зачастую в различных регионах. Флагманами рынка аппаратных MCU являются компании Cisco и Polycom.

Рассмотрим программное и аппаратное оборудование для создания ВКС:

Cистема видеоконференций Microsoft строится на серверном программном обеспечении Microsoft Lync Server 2010 (новая версия Office Communications Server). И клиентских программах, например, Microsoft Lync 2010 (новая версия Microsoft Communicator) или Microsoft Lync 2010 Attendee (бывший Microsoft Live Meeting). Microsoft Lync Server 2010 разворачивается в доменной сети, поэтому требуется подготовка инфраструктуры, в частности должны быть развернуты контроллер(ы) доменов Active Directory. Также должно быть выделено(закуплено) оборудование для установки Microsoft Lync Server 2010. Это может быть выделенный сервер на платформе Intel или же виртуальная машина. На клиентские машины устанавливается клиентское программное обеспечение Microsoft Lync 2010, которое позволяет звонить как в аудио, так и в видео режиме.

Polycom RMX 1500 -- это сервер многоточечной видеоконференцсвязи до 90 абонентов (количество портов определяется моделью). Это единственная в отрасли многоточечная платформа для видеоконференцсвязи, поддерживающая технологию H.264 High Profile для передачи видео высокого разрешения с занятием в два раза меньшей ширины полосы пропускания, что существенно снижает стоимость создания канала и его использование при минимальных в отрасли операционных затратах и высочайшей рентабельности.

RMX 2000 сконструирована по модульному принципу мультимедийных IP-подсистем (IP Multimedia Subsystem, IMS), отличается высокой степенью масштабируемости и рассчитана на работу с новейшими приложениями для проведения конференций. Polycom RMX 2000 способен поддерживать от 20 до 80 видео-соединений (портов) по протоколам SIP или H.323. Новая архитектура дублирует IMS и поддерживает проводной и беспроводной доступ.

Polycom HDX 4002 -- это полностью законченное решение, разработанное для использования, как в качестве персональных систем, так и для небольших конференц-комнат до 4-х участников. Система содержит все необходимые компоненты для проведения сеанса связи: интегрированный 20,1" монитор с поддержкой режима 16:9, встроенную PTZ HD-камера, 2 интегрированных микрофона, 4 Hi-Fi динамика и сабвуфер, современный видеокодек, основанный на стандартах HDX, и стильную стойку с интегрированной клавиатурой. Установлен HDX-кодек для видеоконференций и удобная клавиатура, позволяющая, набирать номера или отвечать на видео звонки точно так же, как и на обычном телефоне.



4. Проектирование и разработка оптоэлектронных (радиоэлектронных) устройств

Вначале определим некоторые общие понятия, которые относятся к проектированию любых устройств независимо от их физической природы.

Введем понятие параметров элементов (или компонентов), параметров устройства и параметров окружающей среды.

Параметры элементов (или компонентов), из которых состоит проектируемое устройство, будем называть внутренними; параметры устройства, по которым оценивается его качество - выходными; параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов - входными; параметры окружающей среды - внешними.

Пример (применительно к проектированию транзисторного усилителя): параметры самих транзисторов и пассивных элементов, входящих в состав этого усилителя - внутренние параметры; потребляемая мощность, коэффициент гармонических искажений - численные выходные параметры; АЧХ и ФЧХ - функциональные выходные параметры (выходные характеристики); частота и амплитуда входного сигнала - численные входные параметры; спектральная характеристика входного сигнала - функциональный входной параметр; температура окружающей среды - внешний параметр.

Основные задачи схемотехнического проектирования

Каждый из пяти функциональных уровней проектирования: АСтП, АФЛП, АСхП, АКП и АКТП - включает решение следующих задач: расчета, анализа, оптимизации, синтеза и выпуска технической документации. Эти задачи называют также проектными процедурами. Рассмотрим эти задачи на примере схемотехнического проектирования, которые имеют здесь следующее содержание.

Расчет - определение выходных параметров и характеристик устройств при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре. Пример: расчет широкополосного усилителя, включая расчет режима по постоянному току, полосу пропускания, площадь усиления и т.п.

Анализ - определение изменения выходных параметров и характеристик устройства в зависимости от изменения его внутренних и входных параметров. В случае применения ПЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа - многовариантным анализом. Например, вариация (stepping) номиналов пассивных компонентов оценивает их влияние на функциональные выходные характеристики (АЧХ и ФЧХ) усилителя.

Оптимизация - определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства (при параметрической оптимизации) или структуры устройства (при структурной оптимизации). При этом большое значение имеет опыт разработчика или используется специальный математический аппарат теории чувствительности.

Подчеркнем, что наиболее сложными процедурами являются задачи параметрического и структурного синтеза. В общем случае синтезом называется генерация исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез) и значения внутренних параметров (параметрический синтез). Указанная генерация может выполняться различными способами: выбором из уже известных устройств, построением на основе определенных теоретических соотношений, путем изобретательства, эвристического решения и др. Примеры: двойной RC-мост Вина, схема RC-генератора Сифорова, автогенератор по схеме Клаппа, трехточка Ричарда Ши и др. Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным, т.е. иметь практический смысл. Если же полученное устройство - наилучшее в каком-либо смысле, то такой синтез называется оптимальным. Подчеркнем, что задача синтеза - это весьма сложная задача и в большинстве случаев не может быть решена автоматически без участия и помощи специалиста-разработчика. В конце концов любой сложный алгоритм и соответствующая ему программа разрабатываются человеком.

Решение задачи разработки и выпуска технической документации необходимо для изготовления и последующей эксплуатации конкретного радиоэлектронного устройства. На этом этапе выполняется компоновка и размещение элементов и узлов, разводка печатных и проводных соединений, а также решаются задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. Затем проводится технологическая подготовка производства, которая предполагает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.

Типы объектов схемотехнического проектирования

Как правило, все РЭУ, проектируемые на ПЭВМ, разделяют на три типа: аналоговые, дискретные и цифровые.

К аналоговым относятся устройства, в которых используются аналоговые сигналы, или сигналы аналогичные, полностью подобные порождающему его физическому процессу. Эти сигналы являются непрерывными во времени. Примеры: сигнал гармонической формы, пилообразной, треугольной и др.

В дискретных устройствах используются дискретные сигналы, которые образуются из аналоговых путем дискретизации по времени.

К цифровым относят устройства, рабочие сигналы которых закодированы в виде чисел, обычно представляемых в двоичном коде цифрами 0 и 1 (триггеры, счетчики, регистры, микропроцессоры, микроконтроллеры и т.п.). Эти сигналы получают из аналоговых путем использования двух операций: дискретизации (получение выборок, отсчетов) и квантования.

Наконец, существуют промежуточные классы устройств: аналого-дискретные и аналого-цифровые.

В аналого-дискретных устройствах используют дискретный способ изменения параметров аналоговых устройств без явного дискретизатора. Например, электронные схемы на переключаемых МОП - конденсаторах.

К аналого-цифровым устройствам относятся разного типа преобразователи: аналого-цифровые (аналог - код, АЦП), цифро-аналоговые (код - аналог, ЦАП), спецвычислители, процессоры с аналоговыми устройствами ввода и вывода и др.

Основные этапы асхп радиоэлектронных устройств

Рассмотрим в несколько упрощенном виде процесс автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств. Он состоит из нескольких этапов (см. рис. 2).

На первом этапе (1) сложное проектируемое устройство разбивается на функционально законченные блоки и вырабатываются частные технические задания (ТЗ) на каждый отдельный блок. ТЗ предусматривает описание внешних и внутренних параметров: входных и выходных сигналов, диапазона частот, потребляемой мощности, условий эксплуатации, предельных допусков на основные характеристики и т.п. На этом этапе очень многое зависит от личности разработчика-конструктора: от его знаний, интуиции, интеллекта и кругозора.

На втором этапе (2) после формулировки ТЗ на разрабатываемый блок составляется его принципиальная электрическая схема начального (нулевого) приближения. Это обычно делается разработчиком также на основании собственного опыта и опыта предыдущих разработок. Здесь же выбираются компоненты схем, как-то: транзисторы, диоды, ИМС, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др., а также номинальные значения и допуски на параметры компонентов.

Далее на третьем этапе (3) выбирается система автоматизированного схемотехнического проектирования (моделирования), а в ней программа, которая наилучшим образом подойдет для анализа данной электронной схемы и позволит судить о соответствии ТЗ выбранной схеме. Подчас в выбранном пакете требуется не одна, а группа программ для проведения всех необходимых вычислений. Например, анализ по постоянному току, анализ во временной и частотной областях.

Затем принципиальная схема проектируемого блока подготавливается для проведения компьютерного анализа и вводится в память ПЭВМ текстовым или графическим способом (этап 4).

Далее на основании встроенной библиотеки моделей компонентов автоматически составляется математическая модель анализируемого устройства по введенной принципиальной схеме (этап 5).

На этапе 6 производится анализ математической модели электронной схемы в диалоговом режиме. Например, в случае анализа схемы аналогового устройства предполагается выполнение следующих видов расчетов:

- расчет схемы по постоянному току;

- расчет схемы в частотной области; например, вычисление АЧХ и ФЧХ, спектральной плотности шума;

- расчет во временной области; например, определение переходных и импульсных характеристик, проведение спектрального анализа.

Полученные в результате анализа характеристики схемы сравниваются с данными ТЗ и (или) с результатами испытаний макета (этапы 7 и 8).

На основании этого сравнения принимается решение о принятии или отклонении рассмотренного варианта проекта (этап 9). Такое решение проводится неформально, так как в некоторых случаях инженерное понимание сути дела позволяет пренебречь некоторым расхождением результатов компьютерного анализа с ТЗ. После принятия проекта разрабатывается техническая документация для последующего изготовления разработанного устройства и проведения испытаний (этап 11).

Если характеристики неудовлетворительны, то принципиальная схема и (или) модели компонентов должны быть изменены (этап 10).

Цикл анализа затем повторяется снова.



5. Модернизация лабораторного комплекса «Квазар»: изучение явления фотоэффекта

5.1 Изучение фотоприемников, их видов и применения

Фотоприемники заняли такое важное место в технике, что без их использования было бы немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и астрофизические исследования, диагностика плазмы и ранних этапов заболеваний человека, анализ загрязнений окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в электрический. Различают следующие виды фотоприемников:

фотоэлемент;

фотоэлектронный умножитель;

фотодиод p-n-типа;

фотодиод p-i-n-типа;

лавинный фотодиод;

фототранзистор;

фототиристор.

В технике оптической связи нашли применение, в основном, различные типы фотодиодов. В фотодиодах оптическое излучение преобразуется в электрические сигналы за счет явления внутреннего фотоэффекта, при котором в области p-n-перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда - электрон и дырку. При отсутствии внешнего поля, в области p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода фотонами света возникают электронно-дырочные пары. Поле p-n-перехода пространственно разделяет электроны и дырки, и создает тем самым фото-ЭДС между смежными областями кристалла. За счет этого образуется ток (фототок), вызванный движением электронов по внешней цепи.

Параметры и характеристики.

Параметры излучения, преобразуя модулированное по интенсивности световое излучение в электрический сигнал, осуществляют детектирование света. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются при заданных источнике излучения (обычно монохроматическом), электрическом режиме и температуре.

Чувствительность представляет собой отношение изменения электрической величины на выходе приемника, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Для приемников ВОСП обычно указывается монохроматическая чувствительность по току. Электрической величиной на выходе здесь является ток, а количественной характеристикой излучения - мощность монохроматического источника на входе приемника с заданной длиной волны. Чувствительность S_л имеет размерность А/Вт.

Где, ДI - приращение фототока; ДP_л - изменение плотности монохроматического потока.

Темновым током называют постоянный ток, протекающий через приемник в отсутствие действия светового потока в диапазоне спектральной чувствительности. Темновой ток является одним из источников шума.

Основными характеристиками приборов являются вольтамперная, спектральная, энергетическая, частотная и переходная. Вольт-амперная характеристика строится для заданных входной мощности температуры. Остальные характеристики соответствуют указанному электрическому режиму и постоянной температуре. Спектральная характеристика отражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения.

Частотная характеристика представляет собой зависимость чувствительности от частоты гармонической модуляции потока излучения. Переходная нормированная характеристика определяется под действием импульса оптического излучения в форме единичной ступени. Это - зависимость от времени отношения фототока, описывающего реакцию приемника установившемуся значению фототока. Переходная характеристика может быть прямой и обратной. Первая соответствует ступеньке появления излучения, вторая - прекращению излучения.

Энергетическая, частотная и переходная характеристики определяются для источника с заданной длиной волны. Частотная и переходная характеристики обычно приводятся для фиксированного сопротивления нагрузки. По этим характеристикам находят параметры, описывающие частотные и импульсные свойства прибора: предельную частоту, время нарастания и спада.

Основные виды фотоприемников.

Фотоэлектрические приемники излучения используют внешний и внутренний фотоэффекты. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом -это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом - это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

Фоторезисторы.

Представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Порог чувствительности фоторезисторов определяются дрейфом темнового сопротивления и шумами различных видов. Дисперсия дробового и теплового шумов определяется соответственно формулами:

Где к - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; Дf- полоса частот; e- заряд электрона; i₀ - среднее значение тока через фоторезистор.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени ф, определяющая быстродействие фотоэлемента, увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от -60 до +60⁰С. Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направлении, перпендикулярном электродам, так и в направлении, параллельном электродам.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ).

Относятся к группе полупроводниковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока. ФД могут работать в двух режимах - фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n- перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Рис. 3

На рисунке 3,а показаны световые характеристики ФД, на рисунке 3,б - вольтамперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениям нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из приведенных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется наличием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_xx в фотогенераторном режиме не превышает 0,2 - 0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь до значений Характеристика I_к.з.= f (E) обладает большой линейностью, ток пропорционален освещенности до значения:

.

Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей:

- для германиевых ФД и Е=10⁵

- для кремниевых ФД.

Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая 1) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рисунке 3,в.

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режиме при освещенности от стандартного источника с цветовой температурой T_цв.= 2360 К как диод p-n-типа.

При наличии обратного смещения, созданного внешней электрической цепью создает обедненную область, в которой отсутствуют носители и действует сильное электрическое поле. Если теперь осветить фотодиод, то возникшие носители (электроны и дырки) ускоряются в этом поле и движутся в n-слой (электроны) и в p-слой (дырки). Для устранения этого недостатка была создана p-i-n-структура фотодиода. В такой структуре между p- и n- слоями помещен слой полупроводника с высоким сопротивлением и толщиной в несколько десятков микрометров. В таком фотодиоде свет падает на i-слой и носители ускоряются сильным полем в этом слое. Это понижает инертность и повышает частоту преобразования до нескольких гигагерц. Для повышения чувствительности увеличивают светопоглощающую поверхность, а для понижения емкости перехода повышают напряжение обратного смещения. Чаще всего p-i-n-фотодиоды на длину волны 0,85 мкм изготавливают из кремния (Si), а на большие длины волн (1,2-1,6 мкм) - из германия (Ge), InGaA sили InGaAsP.

Лавинные фотодиоды.

(ЛФД или APD-фотодиоды). Рассмотренные типы фотодиодов только отдают во внешнюю цепь электрический ток, вызванный светом, но не усиливают его. Ток на их выходе обычно равен нескольким наноамперам или меньше. В отличие от них ЛФД усиливает фототок. ЛФД имеют высокое быстродействие и их пороговая частота достигает нескольких гигагерц. К недостаткам этих приборов можно отнести сильную температурную зависимость коэффициента усиления, нелинейность преобразования и малую площадь рабочей поверхности (0,05 мм2).

Из большого числа фотоприемных устройств (фотодиодные и фототранзисторные приборы, электровакуумные и твердотельные видиконы фотоэлектронные умножители и др.) наиболее полно удовлетворяют требованиям оптоэлектронных устройств обработки информации твердотельные матричные фотоприемники. В настоящее время в основном применяются дискретные и гибридные матрицы фотоприемников.

Дискретные матрицы фотоприемников с малым геометрическими размерами и небольшим количеством элементов создаются из отдельных кремниевых фотодиодов.

Гибридная матрица фотоприемника имеет большой счет интеграции и разрабатываются на базе специально созданных кремниевых линеек ,каждая из которых содержит одно количество элементов.

5.2 Модернизация лабораторного комплекса «Квазар»: изучение явления фотоэффекта

Мною была рассмотрена возможность модернизации лабораторного комплекса «Квазар».

В лабораторном комплексе «Квазар» используется приемник излучения цезиевым фотоэлементом. Приборы на основе цезия наиболее чувствительны к воздействию излучения и кроме того обладают весьма малой инерционностью. Характеристика кислородно-цезиевого фотоэлемента имеет два максимума чувствительности: один в области ультрафиолетового излучения, другой - в области инфракрасного излучения. Это объясняется тем, что при низких частотах, соответствующих инфракрасной области спектра, фотокатодом является монокристаллический слой цезия, расположенный у поверхности катода, а при более высоких частотах, соответствующих максимуму ультрафиолетового излучения, лучистая энергия проникает глубже в толщу фотокатода. Данный прибор имеет оптику, позволяющую работать в ближней УФ и ИК области. Помимо сурьмяно-цезиевого фотоэлемента прибор снабжен также кислородно-цезиевым фотоэлементом, что позволяет производить измерения в ближней ИК области спектра до 1000 нм. Однако, в отличие от фотоэлектроколориметра ФЭК-56, в этом приборе отсутствует ртутная лампа, поэтому нет возможности проводить измерения при длинах волн короче 360 нм. Поэтому в целях модернизации лабораторного комплекса предлагается дополнительно использовать фотоэлектроколориметра ФЭК-56.

Колориметр применяют для измерения оптической плотности и светопропускания растворов в области спектра 315-630 нм. В качестве источников света используют две сменные лампы: лампу накаливания, дающую сплошной спектр излучения в видимой области спектра, и ртутную лампу с линейчатым спектром излучения в ультрафиолетовой и видимой областях. Приемниками света служат два сурьмяно-цезиевых фотоэлемента Ф-4, включенных по дифференциальной схеме. Прибор снабжен набором узкополосных светофильтров, расположенных на поворотной турели. В набор входят светофильтры с максимумами пропускания на 315, 364, 400, 434, 490, 540, 582 нм (варианты - 597 и 630 нм).

а) б) в)

Рисунок 5. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56; а) внешний вид; б) - оптическая схема: 1 - источник света; 2 - светофильтр; 3 - светоделительная призма; 4 - кюветы для исследуемых и стандартных растворов; 5 - компенсационная диафрагма; 6 - фотоэлементы; в) спектральные характеристики светофильтров, 1-9 - номера светофильтров

Свет от источника, пройдя через светофильтр, попадает на призму, которая делит поток на 2 луча: левый и правый. Далее эти лучи идут по параллельным каналам через кюветы, диафрагмы и попадают на фотоэлементы. Фотоэлементы подключены по дифференциальной схеме через усилитель на индикаторную лампу, используемую в качестве нуль-индикатора. Измерение плотности или светопропускания проводится вращением барабана привода щели. Изменяя размер щели, добиваются равенства световых потоков, падающих на фотоэлементы двух каналов. Равенство индицируется нуль-индикатором. По нанесенным на барабаны шкалам определяют плотность или пропускание относительно опорного канала, в который может быть помещена кювета с бланком или стандартом.

Колориметры МКМФ-02 и ФЭК-56 - приборы общего назначения. Несмотря на то, что они широко применяются в клинико-диагностических лабораториях, они не являются специализированными медицинскими приборами и не призваны выполнять сугубо медицинские задачи, в том числе по обеспечению необходимого качества лабораторных исследований.



Заключение

За время прохождения практики мною были выполнены следующие задания:

- изучены принципы построения телефонных сетей общего пользования классификации;

- изучена нормативно-техническая база и техническая информация производителей сетевого оборудования;

- изучена структура, топология и основные фазы проектирования и организации структурированных кабельных систем (СКС);